王勇
, 丁治英
WANG Yong, DING Zhi-ying
中图分类号: P426.6
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2013)09-1132-06
收稿日期: 2012-11-12
修回日期: 2013-01-10
网络出版日期: 2013-09-30
版权声明: 2013 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：王 勇（1980-）,男,江苏盐城人,讲师,主要从事中尺度天气动力学研究。E-mail:wy92380@163.com
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摘要
采用非静力中尺度数值模式WRFv3.1数值模拟结果、FNL再分析资料以及实况降水资料对一次梅雨锋暴雨其雨带演变特征进行天气动力学分析。借鉴经验正交函数EOF分解技术,揭示对此次降水过程雨带分布具有重要影响的低层风场演变过程。在此基础上结合垂直涡度倾向变化方程,对雨带上中尺度涡旋演变机制进行初步分析。结果表明：① 雨带的演变与低空急流的形成、发展有关,雨带在此次降水阶段后期沿着新生成的低空急流不断向东移动、发展。② 对流层中低层涡度平流项、垂直输送项演变过程对于雨团移动具有指示作用。③ 低空风垂直切变加强以后,涡度方程中扭转项对局地涡度发展具有重要作用。
关键词：
Abstract
The simulation results of nonhydrostatic mesoscale numerical model WRFv3.1, FNL reanalysis data and observation precipitation data are used to perform the synoptic dynamic analysis of the rainstorm over Meiyu front and the evolution characteristics of rain band in Huaihe River Basin. In this article, we draw on the decomposition technique of empirical orthogonal function (EOF) to reveal the evolution of low level wind field, which has an important influence on the distribution of mesoscale rain band during this precipitation process. The first mode of EOF analysis performed for horizontal wind at 850 hPa reflects that the southwester strength in the later rainstorm process caused the change of rain band distribution. Based on that and by combining with vertical vorticity tendency equation, a preliminary analysis of mesoscale vortex’s evolution mechanism in rain band has been conducted. Results show that: 1) The evolution of rain band is relative to the initiation and development of low level jet, moving and developing east along the newly generated low level jet in the later stage of the precipitation. 2) The evolution of vorticity's horizontal & vertical advection terms indicate the movement of rain group and it develops in the moving direction at middle and low levels. The positive vorticity center is prone to move and develop from the negative vorticity’s horizontal advection area to the positive one. The vertical advection transports term upward the vorticity center caused by the convergence movement at low level. Therefore, the vorticity and its horizontal advection at middle level strengthen, promoting the vortex moving and developing downstream.3) The vertical motion benefits the evolution from horizontal vortex tube to vertical vorticity after wind vertical shear at low level strengthens. Thus, the twisting term in vorticity equation plays an important role in the development of local vorticity.
Keywords：
关于梅雨锋暴雨发生、发展物理机制及其雨带演变特征的研究,很多学者已总结出许多富有实际预报意义的科学结论。很多研究[1~4]也表明,梅雨锋暴雨的降水过程与中尺度扰动和对流云团发展有关,在低层切变线附近此消彼长的中尺度对流系统对于局地强降水发生有着十分重要的作用,低空急流的加强以及低层辐合上升运动所造成的潜热释放有利于对流系统发展。
中尺度天气诊断分析研究中较少使用经验正交函数EOF分析方法[5~9],但随着数值模式性能的提高可以获取时空分辨率较高的中尺度天气系统发生过程的数据资料。基于此,文献[5,6]中的研究将EOF方法尝试性地引入暴雨、台风等中尺度天气诊断分析中,取得与实际观测资料相一致的结果,为揭示中尺度系统的内部动力结构以及环境系统的演变过程提供一种可行的思路。
发生在2007年7月8日00时至9日00时的暴雨过程,使得江苏、安徽、河南、湖北等省市淮河流域附近出现重大内涝,给人民生命、财产带来严重损失。在对此次降水过程分析中发现,雨带分布在该降水过程中发生改变,见下文所述。雨带分布的这种变化是由什么机制引发的?这将是本文研究的主要内容之一。此外,位于梅雨锋中尺度切变线附近的涡旋不断发生、发展、消亡以及伴随着合并、分裂等演变特征,该现象在很多研究中都已发现,但多个强雨团对应的涡旋合并、分裂的动力学机制并没有过多探讨[10~12]。本文将采用基于p坐标系下的垂直涡度方程,讨论对于气旋性涡旋发展、移动具有重要作用的物理量,从而为判断气旋性涡旋的演变提供参考依据。
该次降水主要受低空切变线、低空西南急流影响。位于雨带上的主要对流系统属于α、β中尺度对流系统,多个对流系统在切变线附近不断新生、移动、发展、消亡。8日00~06时雨带沿着低空切变线方向呈NW-SE方向分布（图1a,c）,8日12时以后雨带转向呈NE-SW走向（图1b,d）,雨带上的雨团也随之向东移动发展。
为获取时空分辨率较高的分析资料从而更深入揭示雨带演变机理,本文采用非静力中尺度数值模式WRFv3.1对此次降水过程进行数值模拟。每6 h的1次1o×1 o FNL再分析资料作为模式初始、边界条件。模式模拟时间为7日06时至9日06时,共积分48 h,每1 h输出一次数据。模式垂直分层28层,顶层为50 hPa,采用双重嵌套网格。
图1 逐6 h降水雨量（单位：mm）
Fig.1 The precipitation per 6-hour (unit: mm) 8日00~06时(a.实况;c.细网格模拟);8日18时至9日00时(b.实况;d.细网格模拟)
模式模拟的雨带分布与实况一致(图略),主要位于江苏中部以及安徽中北部地区。24 h降水实况中心位于安徽寿县（116°46′48″E,32°34′12″N）,降水量超过250 mm。细网格模拟的降水中心位置比实况稍偏北,强度也基本一致。另外,在江苏中部偏西区域也存在一降水中心（118°30′~119°30′E,32°~33°N）,降水量超过150 mm,模拟的雨区位置比实况偏东、偏北,雨带呈扁平带状,位于江苏中部沿海地区,降水强度与实况接近。
从模式模拟的24 h累计降水强度及中心位置、雨带分布演变以及低层环流系统（图略）与实况对比可以认定,此次模拟基本成功,其模式输出数据可作为下文讨论分析使用。
此次暴雨过程中,位于苏皖地区的雨团主要位于雨带上低层气旋性涡度中心附近（图2）。8日12时前后,随着低空西南急流的形成,位于急流左侧的气旋性涡度中心对雨带分布具有重要影响。雨带随着急流向江苏东部沿海地区移动、发展,位于119°30′E、33 °N,在8日17~18时1 h降水达到70 mm以上(图2b）。
为了对低层风场演变特征全面了解,尝试用经验正交函数EOF分析方法研究风场环境的演变。EOF分析方法的本质是将物理场的演变过程分解成各正交模态的独立演变过程,即将物理场的信息由少量相互独立的典型场来表征[5~9]。分别对低层850 hPa纬向风、经向风的距平资料进行EOF分解,得到第一模态纬向风、经向风方差贡献分别为29.82%、40.56%。用North[5,6]等提出的特征值统计方法对其进行检验,均通过显著性检验,表明特征值所对应的第一模态纬向风、经向风经验正交函数有物理意义,其具体步骤不再赘述。
EOF对纬向风分析的第一模态空间型在苏皖大部分区域均为正值分布（图3a）。8日10~22时,时间系数由负值向正值演变,17~22时时间系数为正值且呈准线性增加演变（图3b）。空间场结合时间系数的演变可看出,苏皖地区纬向西风在10时以后是不断增强的。从EOF对经向风分析的第一模态空间型可看出,负值区域位于苏皖中南部地区,而苏皖中北部地区为正值区域,正负值区域间的零线走向与低空西南急流走向极为相似（图3c）。8日10时至9日03时时间系数由正值向负值呈准线性演变（图3d）。结合EOF分析得到经向风第一模态850 hPa空间场、时间系数的演变可以发现,苏皖中南部地区在8日10时左右低层南风开始不断增强。
通过EOF方法对850 hPa风场第一模态的分析可较好地揭示出低层风场时空演变特征,与图2所示的低空急流形成前后风场的空间分布特征相对应。
图2 850 hPa风场（风矢和矢羽）、正涡度带（等值线,单位：10-4/s）、降水（阴影区,单位：mm）
Fig.2 850 hPa wind field( wind arrow and barb) and positive vorticity band (contour, units:10-4/s, precipitation) (shadow area, unit:mm) a. 8日04时;b. 8日18时
图3 7月7日07时至9日06时850 hPa风场扰动EOF分析第一模态
Fig.3 The first mode of wind disturbance field of EOF at 850 hPa from 07:00 on 7, July to 06:00 on 9, July a. 纬向风空间场; b. 纬向风空间场时间系数; c. 经向风空间场; d. 经向风空间场时间系数
8日10时前雨带在苏皖境内呈NW-SE走向,中尺度雨团、涡度中心发生在低空切变线附近,并伴有合并、分裂等现象。下文将采用p坐标系下未考虑摩擦、湍流作用的经典垂直涡度方程对该现象作诊断分析。
方程右端第一项为相对涡度平流项,第二项为地转涡度平流项,第三项为相对涡度的垂直输送项,第四项为扭转项,第五项为散度作用项。
8日07时位于低层700 hPa以下沿图4a中黑色箭头所指的涡度平流密集带零线方向下方涡度平流正值区域与图5中08时正涡度带走向相似。（114°30′~115°0′E,33°36′N）处正涡度区域上方低层经向南风随高度逐渐向西风转变,高低层风场呈顺切变分布（图4a）,有利于高层风场相对于低层风场向外辐散,促进此处低层正涡度发展,其中心强度超过1.4×10-3/s。7时垂直输送正值带位于图4b黑色虚线所示的两零线之间,预示8时低层正涡度带在水平、垂直方向上的演变趋势(图5)。位于低层涡度中心上方700~800 hPa垂直输送正值中心强度达到0.4×10-6/s2（图4b）,与图4a所示该高度114°45′~114°55′48″E存在正的水平涡度平流中心相对应,说明垂直向上发展的涡度中心在西南风作用下不断向下游平流。中低层经向南风的发展促进了雨区冷暖空气交汇,增强大气斜压性,故扭转项（图4c）对低层涡度发展也有重要影响,其位于涡度中心东侧850 hPa的中心值达到1.0×10-6/s2。图4 d低层正涡度中心处,水平辐散位于850~600 hPa之间,辐合区位于850 hPa以下。辐合层次偏低、垂直上升速度偏弱不利于此处正涡度在垂直方向上的发展,从而不利于中层水平涡度平流在西南风作用方向上发展,与图5中该处正涡度消失现象相对应。
8日12时以后,中尺度雨团沿着西南低空急流的方向发展。中尺度气旋性涡度中心移动、发展的演变机制如何,沿图2b中AB方向做剖面,观察、分析低层涡度演变特征。
8日20时距A点490~540 km处的正涡度中心,沿着涡度平流零线的位置向上发展（图6a）。垂直输送项（图6b）在对流层中层600 hPa垂直上升速度中心处强度较大达到2×10-6/s2,其量级比涡度平流项大一个量级,有利于正涡度在垂直方向上通过垂直输送作用向上发展。涡度平流正值带、垂直输送正值带随高度向B方向倾斜,有利于中层涡度在低层涡度中心移动方向前方发展,使得该处水平涡度平流随高度增加促进低层涡度中心东移发展。低层700~800 hPa以下散度项为正贡献（图6c）以水平辐合运动为主,对应低层正涡度中心。700~800 hPa以上对流层中层以水平辐散运动为主,抑制涡度垂直向上发展。低空急流形成以后,对流层中低层风速垂直切变加大,水平涡管在垂直速度的作用下向垂直涡度演变发展,与之相应的是扭转项对涡度发展的作用随之增强,成为决定局地涡度发展最主要的因子。图6d中扭转项梯度密集区域与正涡度中心相对应,在强劲的垂直上升运动及风垂直切变作用下位于距A点约520 km处800~900 hPa高度上的强度较大,达到2.5×10-6/s2。
图4 8日07时沿33°36′N涡度方程各主要项纬向垂直剖面(阴影区：正涡度,单位：10-4/s)
Fig.4 The vertical cross section of main terms in vorticity equation along 33°36′N at 07:00 on 8,July a. 涡度平流项 (单位：10-7/s2); b. 垂直输送项 (单位：10-6/s2); c. 扭转项 (单位：10-6/s2);d. 散度作用项 (单位：10-7/s2)
图5 8日08时沿33°36′N正涡度纬向垂直剖面（单位：10-4/s）
Fig.5 The vertical cross section of positive vorticity along 33°36′N at 08:00 on 8,July (units: 10-4/s)
图6 8日20时沿AB方向涡度分布垂直剖面(阴影区,单位：10-4/s)
Fig.6 The vertical cross section of vorticity distribution(shadow areas,units: 10-4/s) along lineAB at 20:00 on July 8 (shadow areas, units: 10-4/ s) a. 涡度平流项 (单位：10-7/s2); b. 垂直输送项 (单位：10-6/s2);c. 散度作用项 (单位：10-7/s2); d. 扭转项 (单位:10-6/s2)
1） 本文尝试使用经验正交函数EOF方法分析850 hPa风场时空演变特征,纬向风、经向风第一模态空间场及其时间系数演变很好地从宏观角度揭示了风场的演变过程,对于暴雨等中尺度系统的天气动力学分析提供了一种新的探究方法,但还需进一步验证该方法引用到中尺度气象学领域的稳定性,逐步总结出该分解技术与天气系统演变规律之间的关系。
2） 对流层中低层涡度平流项、垂直输送项对局地雨团的生成、消亡起到一定的指示作用。低层气旋性涡旋易于向正的涡度平流区域移动、发展,而涡度垂直输送项对涡旋在垂直方向上的发展作用较大,对低层涡旋的移动也具有一定指示意义。这两项的演变对于判断涡旋在对流层中低层合并、分裂具有预报意义。低空急流形成加大了对流层中低层风速的垂直切变以及水平切变。由于风垂直切变增强,在上升气流抬升作用下扭转项对涡度局地发展的作用十分重要,这一点在实际预报过程中应值得关注。
The authors have declared that no competing interests exist.
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